Pravdepodobne denne používate smartfón, laptop alebo osobný počítač. Tieto elektronické zariadenia používajú na prácu jednosmerný prúd (DC). Keďže sú však domácnosti bežne napájané striedavým napätím (AC), budete potrebovať na zníženie napätia a konverziu striedavého prúdu na jednosmerný pomocou napájacieho zdroja, ako je napríklad napájací zdroj alebo nabíjačka.
Najbežnejšie dnes používané napájacie zdroje sú lineárne a spínané napájacie zdroje. Ak budete vedieť, ktorý z nich použiť pre konkrétne aplikácie, vaša elektronika bude v bezpečí a bude fungovať optimálne.
Pokračujte v čítaní nižšie, kde nájdete porovnanie medzi lineárnymi a spínanými zdrojmi napájania.
Čo sú lineárne a spínané napájacie zdroje?
Lineárne a spínané napájacie zdroje sú elektrické zariadenia používané na napájanie a nabíjanie elektronických zariadení s jednosmerným prúdom. Tieto zariadenia majú za úlohu robiť dve veci: znížiť napätie a konvertovať striedavý prúd na jednosmerný prúd. Hoci obe zariadenia znižujú a usmerňujú výkon, rozdiel v tom, ako tieto úlohy dosahujú, ich robí vhodnejšími pre určité aplikácie.
Lineárny napájací zdroj je zariadenie používané pri nízkošumových a presných operáciách. Jeho použitie ťažkých transformátorov a analógových filtrov umožňuje tomuto napájaciemu zdroju vydávať čisté napätie za cenu nízkej účinnosti, vyššej hmotnosti a väčších rozmerov. Lineárne napájacie zdroje sa najlepšie používajú v záznamových zariadeniach, elektrické hudobné nástroje, lekárske vybavenie a vysoko presné laboratórne meracie nástroje.
Pre vysokoúčinné a vysokoprúdové operácie sa používa spínaný alebo spínaný zdroj napájania (SMPS). Na rozdiel od lineárnych napájacích zdrojov využívajú spínané napájacie zdroje použitie polovodičových komponentov na moduláciu a reguláciu prichádzajúceho napätia. Tieto napájacie zdroje sa spoliehajú na vysokofrekvenčné spínanie pomocou výkonových tranzistorov, vďaka čomu sú hlučné, ale vysoko výkonné, ľahké a kompaktné. Spínané zdroje napájania sa často používajú v počítačoch, nabíjačkách telefónov, výrobných zariadeniach a mnohých nízkonapäťových elektronických zariadeniach.
Ako funguje lineárny napájací zdroj
Použitím čisto analógových komponentov dostupných v 50. rokoch sa lineárne napájacie zdroje museli spoliehať na ťažké výkonové transformátory a objemné elektrolytické kondenzátory na zníženie a usmernenie napätia. Hoci sa tranzistory už vtedy sériovo vyrábali, vysoké striedavé napätie jednoducho produkovalo príliš veľa tepla, ktoré tranzistory nezvládli.
Tu je schéma lineárneho napájacieho zdroja:
Lineárny zdroj funguje v troch krokoch:
Krok 1: Znížte prichádzajúce vysoké striedavé napätie pomocou transformátora.
Krok 2: Znížené napätie potom prechádza cez usmerňovač s úplným mostíkom, ktorý usmerňuje striedavé napätie na pulzujúce jednosmerné napätie.
Krok 3: Pulzujúce signály jednosmerného napätia prechádzajú cez filter zložený z induktorov a kondenzátorov. Tento vyhladzovací filter odstraňuje kolísanie signálu pulzujúceho jednosmerného napätia, vďaka čomu sú použiteľné pre jemné elektronické zariadenia.
Ako funguje spínaný zdroj
Spínané napájacie zdroje sú zložité zariadenia, ktoré využívajú polovodičové komponenty na vysokofrekvenčné spínanie napájania a menší transformátor s feritovým jadrom. Tieto typy napájacích zdrojov môžu zvyšovať a znižovať napätie pomocou slučky jednosmernej spätnej väzby na riadenie výstupných napätí.
Takto fungujú:
Krok 1: Vysokonapäťové striedavé napätie vstupuje do napájacieho zdroja cez ochranný modul obvodu zložený z poistky a EMC filtra. Poistka slúži na ochranu proti prepätiu a EMC filter chráni obvod pred vlnením signálu pochádzajúcim z nefiltrovaného striedavého prúdu.
Krok 2: Po uistení sa, že obvod je dobre chránený, prechádza vysokonapäťový striedavý prúd cez druhý modul zložený z usmerňovača s úplným mostíkom a vyhladzovacieho kondenzátora. Usmerňovač s úplným mostíkom premieňa striedavý prúd na pulzujúci jednosmerný prúd, ktorý je potom vyhladený kondenzátorom.
Krok 3: Vysokonapäťový jednosmerný prúd sa potom posiela cez budič PWM, ktorý prijíma spätnú väzbu a riadi výkonový MOSFET, ktorý reguluje napätie pomocou vysokofrekvenčného prepínania. Prepínanie tiež robí z priameho jednosmerného prúdu štvorcovú vlnu.
Krok 4: Jednosmerná štvorcová vlna teraz vstupuje do transformátora s feritovým jadrom a transformuje signály späť na striedavé štvorcové vlny.
Krok 5: Striedavé štvorcové vlny prechádzajú mostíkovým usmerňovačom, pričom konvertujú signál na pulzujúci jednosmerný prúd a potom ho prechádzajú cez vyhladzovací filter. Konečný výstup sa potom používa na odosielanie signálov do ovládača PWM, ktorý vytvára spätnú väzbu, ktorá reguluje výstupné napätie.
Lineárne vs. Spínané napájacie zdroje
Existujú rôzne dôvody, prečo je napájací zdroj vybraný na použitie v konkrétnych aplikáciách. Tieto často zahŕňajú účinnosť, hluk, spoľahlivosť a opraviteľnosť, veľkosť a hmotnosť a náklady. Teraz, keď máte všeobecnú predstavu o tom, ako fungujú, uvádzame, ako ich spôsob spracovania energie ovplyvňuje ich výkon a použiteľnosť v určitých aplikáciách.
Efektívnosť
Pretože elektrina musí prechádzať cez sériu elektrických a elektronických komponentov, proces usmerňovania a regulácie napätia bude mať vždy neefektívnosť. Ale koľko?
V závislosti od toho, ako sú ohodnotené, môžu mať spínané zdroje účinnosť 80 - 92%. To znamená, že vaše zariadenie dokáže vydať 80 – 92 % energie, ktorú ste doň vložili. Jeho účinnosť pochádza z použitia menších, ale účinných komponentov, ktoré regulujú napätie pomocou vysokofrekvenčného prepínania nízkeho napätia.
Naproti tomu lineárny napájací zdroj môže byť energeticky účinný len na 50 – 60 % vďaka použitiu väčších a menej účinných komponentov.
Šum a vlnenie signálu
Aj keď sú lineárne napájacie zdroje neefektívne, kompenzujú ich neefektívnosť prostredníctvom svojich stabilných, čistých a nízkošumových výstupov signálu. Použitie analógových komponentov lineárneho napájacieho zdroja im umožňuje spracovať elektrinu plynulým a neprepínateľným spôsobom, vďaka čomu je ich výstup nízke zvlnenie alebo nízky šum.
Na druhej strane, spínané napájacie zdroje sa spoliehajú na vysokofrekvenčné prepínanie nízkych napätí, aby sa znížilo teplo, mali lepšiu účinnosť – a produkujú veľa hluku! Množstvo šumu signálu závisí od konštrukcie a kvality konkrétneho zdroja spínaného režimu.
Veľkosť a hmotnosť
Veľkosť a hmotnosť napájacieho zdroja môže výrazne ovplyvniť jeho použitie na menších elektronických zariadeniach. Pretože lineárne napájacie zdroje používajú ťažké a objemné komponenty, ich použitie na diskrétnych elektronických zariadeniach je nemožné, pokiaľ nepoužijete napájací zdroj ako nabíjačku.
Pokiaľ ide o spínané napájacie zdroje, keďže využívajú malé a ľahké komponenty, môžu byť navrhnuté tak, aby boli dostatočne malé, aby sa dali integrovať do už menších zariadení. Nízka hmotnosť a malé rozmery spínaného zdroja v kombinácii s jeho energetickou účinnosťou ho robia použiteľným pre veľkú väčšinu vreckových elektronických zariadení.
Spoľahlivosť a opraviteľnosť
S menšími časťami, ktoré by sa mohli počas prevádzky zlomiť, ponúkajú lineárne napájacie zdroje konzistentné a spoľahlivé výstupy. Jednoduchosť dizajnu a používanie bežnejších elektronických komponentov uľahčujú ľuďom získavanie súčiastok a opravy lineárnych dodávok.
S výrazne jemnejšími komponentmi je pravdepodobnejšie, že spínané napájacie zdroje sa pokazia skôr ako lineárny napájací zdroj. Dobrý dizajn a použitie kvalitných komponentov však môže urobiť spínané zdroje veľmi spoľahlivými, možno dokonca takými spoľahlivými ako lineárne zdroje. Skutočným problémom spínaných zdrojov je to, že ich oprava je tým zložitejšia, čím zložitejšia je ich konštrukcia.
Efektivita nákladov
V minulosti boli lineárne napájacie zdroje cenovo výhodnejším zariadením vďaka ich jednoduchej konštrukcii a použitiu menších komponentov. Nepomohlo ani to, že výroba polovodičových komponentov bola drahá. Avšak, s polovodiče sú čoraz žiadanejšieVýrobcovia boli schopní škálovať a vyrábať polovodičové komponenty exponenciálne lacnejšie ako predtým. To zase robí mnohé návrhy spínaných napájacích zdrojov nákladovo efektívnejšími ako lineárne napájacie zdroje.
Použitie vhodného napájacieho zdroja
Takže to je asi všetko, čo potrebujete vedieť o lineárnych a spínaných zdrojoch napájania. Aby boli vaše elektronické zariadenia v bezpečí, vždy používajte originálne nabíjačky dodávané so zariadením, no ak nie sú dostupné, vždy si môžete kúpiť napájací adaptér.
Pred nákupom nezabudnite, že lineárne napájacie zdroje sú ideálne pre elektroniku používanú na presné aplikácie, ako sú elektrické hudobné nástroje, rádiá a lekárske nástroje, zatiaľ čo spínané napájacie zdroje sa používajú v situáciách s vysokou účinnosťou, ako sú počítačové napájacie zdroje, nabíjačky a osvetlenie.
